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微制程工艺与材料大学

 

Lightwave Technology · Super Precision

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微光学浅析

分类:
光学零件与自动化应用工程
作者:
来源:
发布时间:
2019/10/24 18:27
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小光学:微光学元件制造

深圳光波(光栅)机械 (GP)

 

  微光学是一门属于多门前沿学科交叉领域的新兴科学。微光学借助于微电子工业技术的最新研究成果,是国际上最前沿研究方向之一,并具有广泛的应用前途。微光学(micro-optics)是20世纪90年代的产物,其中包括微米尺度的光学表面微结构,其在日本称为微小光学。微光学(Micro Optics)这一专用术语是1969年在日本一家杂志上首次出现的。1981年,日本微光学会及微光学方向的专门刊物相继诞生。作为一门新的学科分支微光学,自此成立。微小光学是广义上的微光学,不是物理意义上的微光学。自从微电子学的微细加工技术发展以来,在光学这个学科上就产生了微光学这个前沿学科分支。因此,微光学是一个知识密集、前沿和技术先进的新的光学学科分支,被誉为光学新技术,代表着光学领域的科学前沿。

微光学是微米与纳米尺度上的光学。由于这种微结构尺度已接近或小于光波长,因此,常规光学的理论与加工技术已不适宜于微光学。

  微光学元件(MOC),指面形精度可达亚微米级,表面粗糙度可达纳米级的自由光学曲面及微结构光学元件。自由光学曲面包括有回转轴的回转非球面(如抛物面、渐开面等),和没有任何对称轴的非回转非球面。

 

微光学元件的应用

  微光学元件是制造小型光电子系统的关键元件,它具有体积小、质量轻、造价低等优点,并且能够实现普通光学元件难以实现的微小、阵列、集成、成像和波面转换等新功能。随着系统小型化不断的成为一种趋势,几乎在所有的工程应用领域中,无论是现代国防科学技术领域,还是普通的工业领域的应用前景。

  军用方面,西方国家在70年代以后研制和生产的军用光电系统,如军用激光装置、热成像装置、微光夜视头盔、红外扫描装置、导弹引导头和各种变焦镜头,均已在不同程度上采用了非球面光学零件。

  在一般民用光电系统方面,自由非球面零件可以大量地应用到各种光电成像系统中。如飞机中提供飞行信息的显示系统;摄象机的取景器、变焦镜头;红外广角地平仪中的锗透镜;录像、录音用显微物镜读出头;医疗诊断用的间接眼底镜,内窥镜,渐进镜片等。

  微结构光学元件应用更是广泛,如光纤连接器中的微槽结构,液晶显示屏的微透镜阵列,及用于激光扫描的F-theta镜片,激光头的分光器等,这些微结构光学元件在很多我们日常使用的产品中都有应用,比如手机、掌上电脑、CDDVD等。

 

微光学元件加工方法

  由于受应用需求的驱动,对微光学元件加工技术的研究也在不断深入,出现了多种现代加工技术,如电子束写技术、激光束写技术、光刻技术、蚀刻技术、LIGA技术,复制技术和镀膜技术等,其中最为成熟的技术是蚀刻技术和LIGA技术。

  这些技术基本都是从微电子元器件的微细加工技术发展而来,但与电子原件不同,三维成型精度和装配精度对光学元件来说是至关重要的,将会直接影响其性能,因此这些方法各自都有它自身的缺陷和使用的局限性。如由于视场深度的限制,光刻技术仅限于二微结构和小深宽比三维结构的加工;采用牺牲层蚀刻技术,虽然可以实现准三维加工,但易使材料产生内应力,影响最终的机械性能,且设备造价非常昂贵;LIGA技术利用的高准直度的X射线光源,一般要通过同步辐射加速器得到,造价比光刻设备还要高许多,一般实验室和企业都很难负担得起;电子束写技术能够加工纳米级的精密结构,但效率低,难以进行批量生产。复制技术,包括热压成型法、模压成型法和注射成型法等,是一种适于批量生产的低成本技术,但要求其模具具有较高精度和耐用性。

  微光学元件的另一加工方法是超精密机械加工技术。最近“财富杂志上有这样一句话:超精密加工技术对光学元件的作用犹如当初集成电路对电子元件的作用。这句话虽然不无夸张,却说明了用超精密机械加工技术进行微光学元件的加工已经引起人们极大的重视。

 

 

光学制造技术发展的两极:大光学与小光学

 

先进光学制造技术,即原来的光学加工,正由一门经典的技艺发展为一门新的学科,其典型特征是用数学模型描述工艺过程、以计算机数字控制为主导的可重复的、可确定性的超精密加工,它集成了当代光、机、电、算、测、材、新为一体,融当代最新科技成果于一身,它不但服务于制造,同时也不断形成自己的理论体系,发展成为光学科学和制造科学交叉的新领域和新的学术分支。光学制造技术同信息技术、光电子技术、光子技术、电子工业技术紧密结合,对光学元件和光学加工传统观念上不断形成新的突破,从成像元件扩展到功能元件,从静态元件发展到动态元件,从被动元件延伸到主动元件,从单一元件到集成元件。热门的先进光学制造技术有:非球面、衍射光学元件、超高精度薄膜技术的WDM波分复用器件、新一代光刻设备、超高精度光学元件、ICF惯性约束聚变光学元件、共形光学元件(ConformableOpticalElement)、大型和超大型轻质非球面反射镜等等。

  光学制造技术发展到现在,主要向两个方向探索,俗称大光学与小光学,大光学如:空间光学,天文、航天、卫星、激光聚变、激光定向能武器等等高技术计划,均涉及大尺寸光学元件制造。小光学如:微光学元件、微光电机械系统、光刻等,引领光学元器件向1mm以下的尺寸发展。

  大型天文望远镜

  20世纪末到跨入新世纪,有代表性的世界大型天文望远镜可列举如下:(1)欧洲南方天文台的ESOVLT4×8.4m超大型望远镜,由四架分立的口径8.4m望远镜集成,采用主镜整体零膨胀玻璃柔性薄镜和能动支承技术,2000年建成在智利的Cerroparala;(2)美国的大型双筒望远镜LBT2×8.4m,两台口径8.4m望远镜建在同一基座上,主镜整体离心熔铸硼酸盐玻璃轻质镜,由Arizona大学大镜实验室用应力盘技术抛光;(3)美国的Keck,Keck口径10m望远镜,采用了Nelson发明的应力加工技术,10m口径由36个六角形子镜拼接而成,这两架望远镜建在夏威夷的MaunaKea;(4)中国南京的大空域多目标光纤光谱望远镜(LAMOST)计划也得到国际天文界广泛关注,建成后将成为世界上最大的反射式斯密特望远镜。

 

  大型天文望远镜非球面主镜的发展趋势是:整体主镜的大型化;轻量化;薄型化;柔性化;深型短筒长化和子口径拼接化。大型天文望远镜非球面主镜镜坯制造技术按采用材料的不同和设计方法的不同,在国际上有四种方法或称流派:美国的硼酸盐玻璃轻质镜熔铸成型;美国的超低膨胀熔石英玻璃焊接成型:德国零膨胀玻璃薄型镜直接熔铸与微晶化薄镜成型;德国零膨胀玻璃镜坯机械加工减重成型。大型望远镜非球面主镜的加工技术主要有:计算机数控小工具抛光(CCOS)技术;应力盘(StressedLap)抛光技术;柔性盘(FlexibleLap)抛光技术;机器人(Robert)抛光技术;应力抛光(Stress)技术;离子束(IonBeam)抛光技术;经典与半经典抛光技术等等。大型天文望远镜的建设从一定程度上反映了国家的综合国力,最近10年间突飞猛进的发展更表达了在世界范围的激烈竞争,这种竞争绝不限于天文领域,其在国际政治、经济和高技术领域的战略意义是不言而喻的。

  惯性约束聚变工程

  惯性约束聚变工程又通称激光核聚变工程,其主体实质上是一个庞大的多路大尺寸激光光学系统的阵列,美国的国家点火装置(NationalIgnitionFacility,缩写为NIF)192路,400mm×400mm方形口径,7152个各类光学元部件,其中尺寸达800mm×456mm的激光玻璃共3072件。在大尺寸灯、片、膜、非球面打靶透镜、材料、加工、检测、装调、控制等一系列关键技术环节上,即使对美国这样的技术先进的国家,在NIF的工程实施上也遇到了极大的困难和挑战,光学元部件的制造仍然是工程实施的瓶颈所在。

  光刻

  光刻技术构成了微电子超大规模集成电路芯片的制造基础,当然也是计算机产业和信息技术的基础。光刻线宽在1997年已达0.25μm,1999年为0.18μm,2001年进入0.15μm,预期在2003年引入0.13μm生产线,2008年达到0.1μm节点,而0.07μm预期在2009年实现。光刻技术所能达到的线宽虽然逐渐逼近专家认定的极限,但一次次不断的突破,使人们有理由乐观地相信即使在0.1μm以下线宽光刻技术仍然会保持其主流技术的地位。一代设备、一代线宽、一代器件,一代计算机,反映了信息技术对半导体工艺设备和光刻技术的依赖。线宽越窄,要求所用光源波长越短,采用的光波长序列为365nm-248nm-193nm-157nm;而光刻物镜的数值孔径也被期望越大越好,由此而来的光刻物镜的材料、设计与制造技术难度越大。现在人们已在寻求下一代光刻技术(NextGenerationLithography-NGL),波长在11-14nmEUV深紫外光刻和波长更短的X射线光刻是重要的发展方向,可能使线宽达到30nm,因此可以预期,进入0.1μm以下,光刻技术依然具有良好发展空间。

 

微光学-衍射光学元件加工及应用

微光学元件被定义为直径1mm以下的光学元件,或表面浮雕结构深度为微米量级的光学元件。连续浮雕折射微光学元件或称二元微光学元件设计制造日趋成熟,适用于聚焦、成像、分波、整形、互连变换等多种用途,现已进入实用阶段,例如微透镜阵列用于波前传感、红外成像光电探测光聚能器等。微光学已成为微机电(MEM-1mm以下的微机械)和微光电机械系统(MOEMS-MicroOpticalElectroMachineSystems)的重要组成部分。微光学除作为系统的组成部分在纳米卫星(Nanosatellite),微机器人(Microrobot),微飞行器(MicroAirVehile),微型武器(MicroWeapon)等一系列最新微光机电产品中具有重要作用之外,还由于微机械中的微型机电元部件的制造手段主要是源于半导体大规模集成电路的光刻技术和微光学制造技术。

 

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